Sciencemag.cz
Doporučujeme
Při vzniku duhy působí vodní kapky na světlo podobným způsobem, jakým je ovládáno v laboratořích pomocí nejvyspělejších technologií. Přímou analogii obou optických mechanismů prokázal společný projekt, na kterém se podílely Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého a CEITEC Vysoké učení technické v Brně. Vědci poprvé získali unikátní holografický obraz kruhové duhy vytvořené v laboratoři, který umožnil demonstrovat vírové zkroucení světla padajícími vodními kapkami. Získané výsledky byly publikovány v časopisu Laser & Photonics Reviews a prezentovány na jeho titulní straně.
Vědci ve svých experimentech provedli holografický záznam světla duhy a z něj rekonstruovali fázové obrazy primární a sekundární duhy. Následně se zaměřili na zkoumání efektů v jednotlivých vodních kapkách, které v experimentech nahradili skleněnými mikrokuličkami. „Prvotním podnětem bylo prokázání zkroucení fáze světla duhy, které je příznačné pro optické víry,“ uvedl Petr Bouchal z VUT, který výzkum duhy inicioval. „Už počáteční fáze výzkumu ukázala, že řešení takového úkolu je náročné a má spojitost s pokročilým ovládáním světla pomocí metapovrchů, na které je zaměřen náš projektový výzkum,“ dodal Zdeněk Bouchal z katedry optiky přírodovědecké fakulty.
Světlo je od počátků optiky ovládáno cílenou změnou optické dráhy. Příkladem je spojná čočka, která světlo jdoucí jejím středem zpomalí více než světlo procházející okrajem, kde je sklo tenčí. Čočka tak mění dynamickou fázi světla a způsobuje, že rovnoběžné paprsky se za čočkou stávají sbíhavými. Vědci ale nyní pomocí pokročilých technologií našli způsob, jak světlo řídit nezávisle na prošlé optické dráze. Využívají k tomu geometrickou fázi světla, kterou pro optiku před léty objevili fyzici Pancharatnam a Berry. „Ovládání světla pomocí geometrické fáze přineslo zcela nové možnosti a objemnou skleněnou čočku lze nahradit tenkou anizotropní vrstvou, nejčastěji tvořenou kapalnými krystaly nebo plazmonickými metapovrchy,“ podotkl Petr Bouchal. „Je pozoruhodné, že příroda tvarování světla prostřednictvím geometrické fáze uplatňuje zcela přirozeně při vzniku duhy. Přestože tento atmosférický úkaz fascinoval už starověké civilizace a jeho fyzikální podstatu zkoumaly celé generace optiků, změna geometrické fáze ve vodních kapkách zůstala neodhalena,“ řekl Zdeněk Bouchal.
Anizotropní nanostruktury stály u zrodu ultratenké optiky schopné poskytnout nové optické funkce. Příkladem jsou komponenty generující světelné víry se šroubovitou vlnoplochou, která se podobá točitému schodišti. Takové experimenty vyžadují spirální změnu geometrické fáze světla. Lze jí dosáhnout přesným úhlovým stáčením molekul kapalných krystalů nebo nanoantén metapovrchů. „Optické výpočty ukázaly, že k analogické změně geometrické fáze dochází zcela přirozeně v dielektrických sférách, tedy i vodních kapkách, a to v důsledku polarizačních změn při vnitřním odrazu světla. Prokázat spirální změnu geometrické fáze světla duhy experimentálně bylo ale náročnou výzvou,“ doplnil Petr Bouchal.
Spirální fázi duhy vědci rekonstruovali z časově rozlišených hologramů, které byly zaznamenány v nekoherentním bílém světle odraženém množstvím náhodně padajících vodních kapek vytvořených vodním rozprašovačem. Bylo proto nutné, aby experimenty dokázaly eliminovat veškeré vlivy spojené se změnou optické dráhy světla. „K tomuto účelu byl navržen speciální systém využívající samo-korelace světla, který navíc musel zachytit světlo duhy v úhlovém zorném poli větším než 120 stupňů. Získané kvantitativní fázové obrazy přesvědčivě prokázaly spirální rozložení fáze v primární i sekundární duze kruhového tvaru,“ uvedl Petr Bouchal, který navrhl a realizoval experimenty.
V dalším výzkumu se vědci zaměřili na zkoumání zkroucení světla v jednotlivých vodních kapkách, které v experimentech nahradili skleněnými kuličkami o průměru 5 až 10 mikrometrů. Pomocí dielektrických mikrosfér pak byly vytvořeny polarizované světelné víry a vírová interferenční pole vysoké optické kvality. „Z fyzikálního hlediska bylo překvapivé, že skleněné kuličky prokázaly schopnost konverze složek momentu hybnosti světla. Světelné svazky s kruhovou polarizací přenášející spin byly v jednotlivých kuličkách přeměněny na světelné víry nesoucí orbitální moment hybnosti. Tento efekt byl dosud pozorován jen v nanostrukturách s prostorově proměnnou anizotropií,“ řekl Zdeněk Bouchal.
Experimenty s duhou poskytly vědcům inspiraci pro návrh nových způsobů ovládání světla, které najdou široké praktické uplatnění. „Rozšířený pohled na mechanismus modulace geometrické fáze nás navíc přivedl k novým metodám úplné rekonstrukce anizotropie, které poskytují vysoké prostorové rozlišení a přinášejí pokrok v biomedicínském a materiálovém výzkumu,“ dodal Petr Bouchal.
